压缩分散型锚索在软弱岩土中的应用与试验研究

2010-05-21易著炜贾志欣

中国水利水电科学研究院学报 2010年2期

易著炜，贾志欣

（1.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京 100048；2.柳州欧维姆工程有限公司，广西 545005）

1 研究背景

目前，预应力锚固技术已在我国水利、水电、铁路、公路等基础工程建设中得到广泛的应用，并取得了长足的发展［1］。主要表现在：设计理论、锚索结构、施工工艺、施工机具、新型材料、施工管理、施工监测等方面都有了突破和成就。基本上能做到针对不同的工程特点及要求、不同的地质条件和环境，采用不同的锚索结构、不同的施工材料和不同的施工工艺，从而使得锚固技术的应用都取得完好的效果，也更进一步推动了锚固技术的应用与发展。同时，随着基础设施建设的蓬勃发展，岩土工程对象的地质条件也越来越复杂，对于承载力比较低的软弱岩土体加固，采用往常的拉力集中型锚索已很难满足工程需要。近年来，针对软弱破碎岩土体，特别是在承载力比较低的软弱岩土体加固方面，压缩分散型锚索由于其受力结构好，有了较多的应用，取得了良好的加固效果。随着压缩分散型锚索的普遍应用，设计与施工中暴露出的一些常见问题也越来越受到工程界的重视。本文结合实际工程，就锚索施工工艺及影响因素进行了一系列的现场试验研究，提出了压缩分散型锚索设计与施工方面的建议，为压缩分散型锚索的推广应用提供技术支撑。

2 压缩分散型锚索的应用现状

2.1 压缩分散型锚索的发展采用预应力锚索进行岩土体加固，具有岩土体受破坏小、施工灵活、速度快、干扰小、受力可靠，且为主动受力等优点。我国自从20世纪50年代末开始引进和使用预应力锚索技术，至今已应用了将近60年。这期间，由于我国经济建设的飞速发展，锚固技术在实践中不断应用和发展，出现了新材料、新工艺、新机具、新方法和新理论。锚索的类型也从单一化发展为多样化。目前广泛应用的锚索类型主要有：从受力机理来分，可分为拉力型，压力型和拉压混和型；从受力分布来分，可分为受力集中型和受力分散型；从使用功用上分，可分为永久锚固型和可拆除型［2-4］。

压缩分散型预应力锚索近年来有了较多的应用，并取得了良好的加固效果。软弱岩土体的主要特性是无论其峰值强度还是残余强度都是很低的，其承载力低、稳定性差。压缩分散型预应力锚索是一种能充分利用岩体的峰值强度，又兼顾到软岩强度低这一特点的主动加固方法，因而更适合于软弱土质加固工程。它是在无黏结钢绞线上按一定距离分散布置若干承载体，将锚索拉力分散为几个较小的压力，分别作用于几个较短的锚固体上，从不同位置调动锚索锚固区的承载能力，逐步衰减至自由段。和常用的拉力集中型锚索相比，它使锚固体与周围土体的黏结应力峰值大幅降低并较均匀地分布到整个锚固段长度上，克服了拉力集中型锚索承载力与锚固段长度呈非正比增加、黏结应力峰值突出、防腐性能较差等缺陷，充分利用了岩土体的抗剪强度，显著地提高了锚索的承载能力。

2.2 压缩分散型锚索作用机理［5］压缩分散型锚索通常设有两级或两级以上承载体，每个承载体上锚固两根或多根钢绞线呈对称或均匀分布，以避免张拉受力时承载体因受力不均而产生偏斜、弯曲、扭转等现象。预应力张拉时，考虑到钢绞线不等长而产生受力不均的现象，需采用单根钢绞线预紧、分锚头、分级张拉的张拉工艺。预应力张拉时，预应力通过钢绞线传至每个承载体上，承载力通过压缩注浆浆体传递荷载。这样，每个承载体端部承受力最大，并逐渐递减。整个锚固段将大的集中荷载转化成单个承载体较小的集中荷载，将预应力平均分散在若干个并联的承载体上，有效地改善了内锚头的应力分布状态，避免了将预应力集中地通过惟一1个锚固段砂浆传递给岩土体，从而提高了内锚头的可靠性。

2.3 压缩分散型锚索优点［6］压缩分散型锚索由于其自身的特殊结构及受力特点，而具有显著优势。

（1）压缩分散型锚索将荷载有效分散，使锚固段岩土体应力分布更均匀，能有效利用岩土体的强度。在同样的岩土体中，采用分散型锚索结构可提供更大的锚固力。

（2）压缩分散锚索型有效利用了锚固段。只要设计合理，无效锚固段就非常小。因此，在同样的锚固力要求下，可缩短锚固段长度，从而减短了锚索长度，降低了工程造价。

（3）压缩分散型锚索由于预应力钢绞线采用全长全封闭多重防腐，耐腐蚀能力强，锚索使用寿命增加。

（4）压缩分散型锚索在施工完成后，钢绞线全长仍为无黏结状态，承担外锚头传来的荷载。因此分散压缩型锚索适应变形能力大，一旦结构物有外荷载的增加，锚索仍能根据荷载变化受力而不致发生剪切破坏（在锚索安全承载系数范围内）。特别适用于有反复外荷载作用下的结构物当中。

（5）压缩分散型锚索可在外锚头设置传感器，达到永久性观测的目的。同时还可根据监测结果，对锚索进行2次或多次补张拉，以消除钢绞力应力损失和蠕变影响。

2.4 压缩分散型锚索应用特点［7-8］由于压缩分散型锚索的特殊结构，具有明显的优、缺点。因此，它的应用必须是有针对性的推广，根据具体的工程特点而选用。

（1）该锚索结构由于防腐效果非常好，特别适用于工程防腐等级高的工程结构中，尤其是永久性防护工程。

（2）该锚索结构具有分散承压的特点，特别适用于解决软土和复杂土质的工程，以及设计张拉力较大的坚硬岩体及软弱岩体中。这是因为：土体软弱或土质复杂，锚固力不足是其最大的缺点，而采用该结构能充分利用土体的强度，同时还可以通过增加承载体数量的方法来增加承载力，或者辅以压力灌浆或二次灌浆的方法使锚固力不足的问题得以解决；在设计张拉力较大的坚硬岩体中，由于注浆浆体强度有限，同时由于注浆工序隐蔽性强，很难以检查，采用分散承压型锚索结构后，可以将较大的张拉力分散，从而对浆体的强度要求相对较低，目前的施工工艺和方法很容易达到，同时浆体处于承压状态，较浆体的受拉状态（指拉力型）要好得多；在设计张拉力较大的软弱岩体中，锚固力不足也成为锚索应用的最大不足之处，而采用分散承压或增加锚固体数量的方式方法可解决这一难题。

（3）由于其承载体分布位置的不同，致使锚索钢绞线存在不等长现象。因此，它不适宜用于加固结构物变形大的工程中。在自由段短或锚固段各承载体间距大的情况下，各锚头受力的不均匀现象更为突出，严重时会导致最外（即靠近外锚头）承载体局部破坏或钢绞线破断，继而引起张拉力重新分配，增加其它承载体锚固段受力和钢绞线受力，最不利情况还会产生从外到里依次连续破坏，从而导致结构失效。

3 现场试验与研究

结合京杭大运河淮安三线船闸加固工程，针对新型压缩分散型锚杆进行了一系列的现场实验，旨在研究提高压缩分散型锚杆在软弱土质中的承载力的方法。

3.1 试验研究内容（1）施工工艺对锚索承载力的影响；（2）设计参数的改变对锚索承载力的影响；

（3）加载程序对锚索承载的影响。

3.2 试验设备加载系统：（1）YCWl50B千斤顶；（2）ZB4—500型高压油泵；反力系统：反力系统采用被锚锭闸室钢板桩；观测系统：观测系统采用独立架设的观测梁；（3）位移测量系统采用0-50mm的百分表；（4）压力测量系统采用0-50MPa的压力表。

3.3 试验内容

3.3.1 施工工艺对锚索承载力的影响第一种情况：采用一次灌浆施工工艺和采用二次灌浆施工工艺，各施工一根锚索，对结果进行比较见表1。结果表明二次灌浆后，锚索承载力提供30%以上。

表1 闸室土锚试验成果汇总

第二种情况：由于地质软弱或复杂，施工工程中，部分孔出现地表冒水、灌浆的现象，为解决这一问题，采用全套管跟进成孔，并在套管内下索注浆工艺，并分别进行试验，见表2。试验中在土质软弱、地质复杂情况下，出现冒水、冒浆现象，造成成孔质量和灌浆质量下降，直接影响锚固力。但在采用全套管施工工艺，并在套管内下索注浆后，能确保证成孔和灌浆质量，保证锚固力。

表2 闸室土锚试验成果汇总

3.3.2 改变设计参数对承载力的影响第一种情况，通过增加二次灌浆浆量的方法，与没有增加二次灌浆情况进行比较（表3）。试验结果表明，单纯通过增加二次注浆浆量的方法并不能有效提高锚索承载力，应根据灌浆压力及合理注浆量综合考虑。

表3 闸室土锚试验成果汇总

第二种情况：通过增加单元锚固段长度，从而增加总锚固段长度，与未增加锚固段长度的情况进行比较（表4）。通过增加承载体间距，从而增加锚固段长度，对提高承载力效果不明显。

表4 闸室土锚试验成果汇总

第三种情况：增加承载体数量并增加锚固段长度对承载力的影响（表5）。增加承载体数量后，承载力明显增加。

表5 闸室土锚试验成果汇总

3.3.3 加载程序对承载力的影响在原设计第一层锚杆采用2～3个承载体，第二层锚杆设计采用4个承载体布置。在第二层锚杆的试验过程中由于采用4个承载体，锚固段长，自由段短，按原设计张拉力进行预张拉荷载补偿后发现，随着试验力的增加，各承载体力的分布极不均匀，造成3根索最短钢绞线承载体破坏，而另外3根索通过改进加载程序后，全部试验成功。说明多个承载体张拉程序需改进。试验成果见表6。

表6 闸室土锚试验成果汇总

4 工程应用实例

4.1 京杭大运河淮安三线船闸中京杭大运河淮安三线船闸扩建工程，位于江苏省淮安市，船闸规模为260m×23m×5m采用了钢板桩加土锚的结构形式，布设两层锚杆共434根。闸室下游导船墙采用了地连墙加土锚的结构形式，布设两层锚杆共计850根。锚杆采了3～4个承载体的新型分散压缩型锚杆，并进行二次灌浆，锚固地层为黏土、亚黏土混粉砂、淤泥质粉土、粉砂、中砂砾石等。工程已投入使用7年且运行良好。

4.2 江苏谏壁一线船闸加固工程谏壁一线船闸建于20世纪80年代，船闸规模为20m×230m×4m，闸室墙采用375#浆砌石空箱结构。两侧闸墙除闸室中部50m范围内采用了钢筋混凝土冲孔灌浆桩处理外，其余均未进行地基处理。2001年发现，两侧闸墙东面75m闸墙皆出现了前倾位移，最大位移10.2m，严重影响了通航安全。加固工程采用锚索对75m闸墙进行加固。锚索采用了4个承载体的压缩分散型土锚。锚固地层为填土层，粉质黏土层。工程已投入使用7年且运行良好。